-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum stoffschlüssigen
Verbinden von dynamisch beanspruchten Fahrzeugkomponenten durch
ein thermisches Schweißverfahren,
insbesondere durch Laserschweißen.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Verbinden von dynamisch beanspruchten Fahrzeugkomponenten
durch Laserschweißen,
wobei bevorzugt zumindest eine Fahrzeugkomponente ein I-, L- oder
U-förmiges
Profil aufweist.
-
An
den Randbereichen von miteinander verschweißten Werkstücken kommt es zu Stetigkeitssprüngen im
Materialgefüge
und zu Kerbspannungen, so dass der Kraft- bzw. Momentfluss gestört bzw.
umgelenkt wird und örtliche
Spannungskonzentrationen auftreten. Dies mindert die dynamische Dauerbelastbarkeit
und erhöht
die Bruchanfälligkeit der
Schweißnaht
und der angrenzenden Bauteilquerschnitte.
-
Bei
der Verbindung von dynamisch beanspruchten Fahrzeugkomponenten,
insbesondere solchen mit I-, L- oder U-förmigem Profil, beispielsweise von
Haltewinkeln zur Befestigung eines Kraftfahrzeugsitzes an einer
Sitzschiene mit einer länglichen und
im Wesentlichen planen Oberfläche,
als für
die Fahrzeugsicherheit kritischen Komponenten bestehen hohe Anforderungen
an die dynamische Dauerbelastbarkeit und an die Bruchanfälligkeit
der Schweißnaht.
Versuchsreihen, insbesondere Lastwechseltests, haben ergeben, dass
Schweißnähte zwischen
dynamisch beanspruchten Fahrzeugkomponenten in der Regel bei einem
Schweißnahtende brechen.
Deshalb wird herkömmlich
versucht, die Schweißnaht
gerade am Schweißnahtende,
das heißt
an den Randbereichen der miteinander zu verbindenden Werkstücke, zu
verstärken
bzw. zu versteifen, indem beispielsweise die Schweißnahtdicke im
Bereich eines Schweißnahtendes
vergrößert wird. Dies
führt nicht
immer zu befriedigenden Ergebnissen, so dass dynamisch beanspruchte
Fahrzeugkomponenten, insbesondere der vorgenannten Art, herkömmlich zumeist
vernietet oder miteinander verschraubt werden.
-
Eine
ganz bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung betrifft ein
Laserschweißverfahren. Bekanntlich
zeichnet sich das Laserschweißen
insbesondere durch seine hohe Flexibilität und Präzision aus. Beim Laserschweißen kann
die Dicke einer Schweißnaht
in einfacher Weise geändert
werden, beispielsweise durch Änderung
der Laserstrahlintensität
aufgrund einer Strahlleistungsmodulation oder einer Änderung
der Laserstrahlfokussierung oder durch Ändern der Relativgeschwindigkeit
zwischen Laserstrahl und zu verbindenden Werkstücken. Diese Ansätze widmen
sich jedoch nicht der Vermeidung negativer Gefügeänderungen im Material oder
der Vermeidung von Kerbspannungseffekten.
-
DE 196 32 415 A1 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung von als Metallprofil ausgebildeten Maskenrahmen
für Elektronenstrahlröhren. Durch eine
spezielle Steuerung der Strahlleistung oder Geschwindigkeit eines
zum Schweißen
verwendeten Lasers, nämlich
durch Leistungsmodulation und/oder Geschwindigkeitsrampen kann ein
sanftes Ansteigen der Schmelzzonentiefe am Anfang der Schweißnaht und
ein sanftes Abfallen der Schmelzzonentiefe am Ende der Schweißnaht realisiert
werden, um eine Kerbbildung in diesen Bereichen zu minimieren. Die zu
verbindenden Werkstücke
werden jedoch nicht dynamisch belastet und sind nicht für Anwendungen im
Kraftfahrzeugbau gedacht.
-
DE 197 50 156 A1 offenbart
eine bevorzugt numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine zum Laserstrahlschweißen von
Werkstücken.
Wenn das Ende der herzustellenden Schweißnaht erreicht wird, wird die
Laserleistung dabei reduziert oder die Vorschubgeschwindigkeit des
Schweißkopfes
erhöht, beispielsweise
in Form einer Rampe, um in diesem Bereich einen Endkrater zu vermeiden,
der bei einer abrupten (von 100 auf 0%) Absenkung der Laserleistung
auftreten würde.
Die zu verbindenden Werkstücke
werden jedoch nicht dynamisch belastet und sind nicht für Anwendungen
im Kraftfahrzeugbau gedacht.
-
Ein
vergleichbares Laserschweißverfahren ist
in
JP 55 11 44 90
A1 offenbart.
-
Das
Deutsche Gebrauchsmuster
201 15 164 U1 der Anmelderin offenbart als Beispiel für eine dynamisch
beanspruchte Fahrzeugkomponente im Sinne der vorliegenden Anmeldung
den allgemeinen Aufbau einer Führungsschiene
für einen
Kraftfahrzeugsitz mit Anbauteilen zur Anbindung eines Sitzgestells,
eines Sicherheitsgurts oder dergleichen, die durch Laserschweißen mit
der Führungsschiene
verbunden sind.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum stoffschlüssigen
Verbinden von dynamisch beanspruchten Fahrzeugkomponenten durch
ein thermisches Schweißverfahren,
insbesondere durch Laserschweißen,
bereitzustellen, um eine höhere
Dauerbelastbarkeit solcher dynamisch beanspruchter Fahrzeugkomponenten
und eine geringere Bruchanfälligkeit
der Schweißnaht
im Falle dynamischer Belastung zu ermöglichen.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung nach
Anspruch 14. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand
der rückbezogenen
Unteransprüche.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird bereitgestellt ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden
dynamisch beanspruchten Fahrzeugkomponenten durch ein thermisches
Schweißverfahren, insbesondere
durch Laserschweißen,
bei welchem Verfahren ein Schweißkopf und die zu verbindenden Fahrzeugkomponenten
relativ zueinander bewegt werden, um eine Schweißnaht auszubilden, wobei eine
in die Schweißnaht
eingebrachte Energiedichte veränderbar
ist und die in die Schweißnaht
eingebrachte Energiedichte so geändert
wird, dass an jeweiligen Randbereichen der Fahrzeugkomponenten ein
Bereich mit einer zu einem Schweißnahtende hin abnehmenden Schweißnahtdicke
ausgebildet wird.
-
Erfindungsgemäß wird die
in die Schweißnaht
eingebrachte Energiedichte in dem Bereich mit der zu einem Schweißnahtende
hin abnehmenden Schweißnahtdicke
so geändert,
dass die Dicke der Schweißnaht
in Richtung einer zu erwartenden Belastung in Richtung oder entgegen
der Richtung einer bestimmungsgemäßen Fahrtrichtung geändert wird.
-
Erfindungsgemäß werden
somit diejenigen Bereiche, an denen die Schweißnaht bricht, nicht zusätzlich verstärkt oder
versteift, sondern wird vielmehr eine zu den Randbereichen hin abnehmende bzw.
auslaufende Schweißnahtdicke
ausgebildet. Untersuchungen, insbesondere dynamische Lastwechseltests,
haben ergeben, dass sich durch diese überraschend einfache Maßnahme eine
höhere
dynamische Dauerbelastbarkeit und eine geringere Bruchanfälligkeit
der Schweißnaht
erzielen lässt. Auch
negative Gefügeänderungen
im Material und Kerbspannungen können
wirkungsvoll verringert werden.
-
Unter
dem Begriff ”Energiedichte” sei nachfolgend
die in die Schweißnaht
tatsächlich
durch den Schweißvorgang
eingebrachte Energie pro Längeneinheit
in Längsrichtung
der Schweißnaht
verstanden. Die in die Schweißnaht
eingebrachte Energiedichte kann durch die aus dem Stand der Technik
bekannten Maßnahmen
variiert werden, beispielsweise durch Ändern des Schweißstroms,
der zu Schweißelektroden
fließt,
durch Ändern
der Intensität
eines beim Laserschweißen
verwendeten Laserstrahls, beispielsweise durch Strahlmodulation,
durch Ändern
der Strahlfokussierung oder Veränderung
der Laserausgangsleistung, oder durch Verändern der Geschwindigkeit,
mit welcher der zum Schweißen verwendete
Schweiß-
bzw. Bearbeitungskopf und die zu verbindenden Werkstücke relativ
zueinander bewegt werden.
-
Bevorzugt
läuft die
Schweißnaht
geringfügig über die
Randbereiche der jeweils zu verbindenden Werkstücke hinaus. Der Bereich, in
welchem die Schweißnahtdicke
abnimmt, kann grundsätzlich
vollständig
außerhalb
der Randlinie eines der beiden zu verbindenden Werkstücke liegen.
Bevorzugt erstreckt sich der Bereich abnehmender Schweißnahtdicke
jedoch zumindest abschnittsweise auch innerhalb der Randlinie eines
der beiden zu verbindenden Werkstücke.
-
Die
Länge des
Bereiches der abnehmenden Schweißnahtdicke, in Schweißrichtung
betrachtet, kann fest vorgegeben werden oder kann in Abhängigkeit
von der Gesamtlänge
der auszubildenden Schweißnaht
variiert werden, beispielsweise in einem festen Verhältnis zu
der Gesamtlänge
der auszubildenden Schweißnaht
vorgegeben werden.
-
Bevorzugt
nimmt die Schweißnahtdicke
in dem Bereich abnehmender Schweißnahtdicke zu dem Schweißnahtende
hin kontinuierlich oder stetig ab, so dass Stetigkeitssprünge bei
dem Randbereich der beiden miteinander zu verbindenden Werkstücke noch
weiter verringert werden können
und der Einfluss negativer Gefügeänderungen
im Material und thermischer Verspannungen oder Kerbspannungseffekte
noch weiter verringert werden kann. Als Einhüllende der Schweißnahtdicke,
in Schweißrichtung
betrachtet, welche als mathematische Funktion oder als Steuerparameter
einer Steuervorrichtung zum Steuern der Schweißvorrichtung eingegeben werden kann,
werden somit kontinuierliche oder stetige Funktionen verwendet,
ganz besonders bevorzugt solche, die rampenartig, hyperbolisch oder
sinusförmig
zu dem Schweißnahtende
hin abnehmen. Selbstverständlich
kann die Einhüllende
der Schweißnahtdicke
auch durch eine Vielzahl von diskontinuierlichen Stufen, insbesondere
mit konstanter Stufenhöhe,
approximiert werden.
-
Grundsätzlich kann
die Schweißnahtdicke
in dem Bereich abnehmender Schweißnahtdicke zu dem Schweißnahtende
hin bis auf Null kontinuierlich oder stetig abnehmen. Eine hohe
Festigkeit der Schweißnaht
bei hoher dynamischer Dauerbelastbarkeit und geringer Bruchanfälligkeit
lässt sich
jedoch auch erzielen, wenn die Schweißnahtdicke auf eine vorgebbare
Mindestdicke abnimmt, die der die Schweißvorrichtung steuernden Steuervorrichtung beispielsweise
in einem Prozentsatz der maximalen Schweißnahtdicke bzw. der Dicke in
einem Bereich konstanter Schweißnahtdicke
eingegeben werden kann.
-
Dem
Bereich abnehmender Schweißnahtdicke
kann stromaufwärts,
in Schweißrichtung
betrachtet, durchaus auch ein Bereich stetiger Zunahme der Schweißnahtdicke
und/oder ein Bereich mit im Wesentlichen konstanter Schweißnahtdicke
und/oder ein Bereich mit im Wesentlichen sinusförmiger Schweißnahtdicke
vorangehen. Somit lassen sich die Gefügeänderungen im Material und Verspannungen
im Bereich der Schweißnaht
variieren und vergleichmässigen,
in Anpassung an die zu erzielende dynamische Dauerbelastbarkeit
und Stabilität
der auszubildenden Schweißnaht.
Zu diesem Zweck kann die Einhüllende
der Schweißnahtdicke,
in Schweißrichtung
betrachtet, durch mathematische Parameter beschrieben werden, welche
eine mathematische Kurve vorgeben, die als Funktion einer die Schweißvorrichtung
steuernden Steuervorrichtung eingegeben werden kann. Auf diese Weise
können die
Ergebnisse von Simulationen der Schweißnahtbelastbarkeit unmittelbar
einfließen
in den Schweißprozess.
-
Insbesondere
zur Flexibilisierung der Produktion kann die Position des zum Schweißen verwendeten
Schweißkopfes
bzw. der Schweißvorrichtung
und/oder die Position der zu verbindenden Werkstücke auch aktiv bestimmt werden,
beispielsweise durch Zählen
der Taktimpulse eines zum Relativverfahren von Schweißkopf und
zu verbindenden Werkstücken
verwendeten Schrittmotors, durch Abtasten von Positionsmarkierungen
an dem Schweißkopf
und/oder an den zu verbindenden Werkstücken etc. In Kenntnis der aktuellen
Position und der Randbereiche der Werkstücke bzw. der Position des auszubildenden
Schweißnahtendes
kann die in die Schweißnaht
eingebrachte Energiedichte geändert werden,
um die Schweißnahtdicke
in der vorstehend beschriebenen Weise zu verändern.
-
Wenngleich
sich das erfindungsgemäße Verfahren
grundsätzlich
bei beliebigen thermischen Schweißverfahren anwenden lässt, wird
dieses ganz besonders bevorzugt bei einem Laserschweißverfahren
eingesetzt, bei welchem ein Laserstrahl, beispielsweise im nahen
Infrarotbereich im Falle eines Nd:YAG-Lasers oder im fernen Infrarotbereich
eines CO2-Lasers, zur stoffschlüssigen Verbindung
von Werkstücken
verwendet wird. Beim Laserschweißen wird der Laserstrahl im
Normalfall mittels Umlenkspiegeln oder einer Umlenkoptik, beispielsweise
einer Glasfaser, bis zu einer Fokussiereinrichtung geführt, die
optische Linsen und/oder Spiegel umfasst, um den Laserstrahl auf
die miteinander zu verbindenden Werkstücke zu fokussieren.
-
Beim
Laserschweißen
lässt sich
die in die Schweißnaht
eingebrachte Energiedichte durch Ändern der Laserstrahlintensität in besonders
vorteilhaft einfacher Weise ändern.
Zu diesem Zweck kann grundsätzlich
der Durchmesser des Strahlflecks im Bereich des Brennpunktes der
zur Fokussierung verwendeten Linsen und/oder Spiegel geändert werden. Oder
die Laserstrahlintensität
kann durch Modulation der Intensität des von einem Laser abgestrahlten
Laserstrahls verändert
werden, beispielsweise mit Hilfe von elektrooptischen oder akustooptischen
Modulatoren.
-
Bevorzugt
wird die Laserstrahlintensität
unmittelbar durch Ändern
einer Laserausgangsleistung verändert,
beispielsweise durch Modulation der Pumplaserleistung und/oder eines
elektrischen Stroms, der zum Betreiben des Lasers verwendet wird.
-
Eine
ganz besonders bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung betrifft
die Verbindung von dynamisch beanspruchten Fahrzeugkomponenten mit
I-, L- oder U-förmigem Profil.
Eine bevorzugte Anwendung, wie sie von der vorliegenden Erfindung
angedacht ist, betrifft die Verbindung von Befestigungswinkeln zum
Halten eines Kraftfahrzeugsitzes auf einer im Wesentlichen ebenen
Oberseite einer Sitzschiene. Üblicherweise
sind die Haltewinkel aus einem Blech mit I-förmigem Profil ausgebildet,
das stumpf auf die Oberseite der Sitzscheine aufgesetzt ist oder
haben die Haltewinkel zumindest einen im Wesentlichen ebenen Schenkel,
der vollflächig
auf der Oberseite der Sitzschiene aufliegt, um mittels Laserschweißen mit
dieser verbunden zu werden. Bei solchen dynamisch beanspruchten
Fahrzeugkomponenten variieren die zu erwartenden Belastungen, insbesondere
im Falle eines Front- oder Heckcrashs, normalerweise in Fahrtrichtung.
Um bei solchen dynamisch beanspruchten Fahrzeugkomponenten für eine noch
höhere
dynamische Dauerbelastbarkeit und eine geringere Bruchanfälligkeit
der Schweißnaht
zu sorgen, nimmt die Dicke der Schweißnaht bei einem Rand des Werkstückes in Richtung
der zu erwartenden Belastung, für
die die Verbindung zwischen den Fahrzeugkomponenten ausgelegt werden
soll, in Richtung oder entgegen der Richtung der bestimmungsgemäßen Fahrtrichtung zu
dem Schweißnahtende
hin ab.
-
Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird auch eine
Vorrichtung zur stoffschlüssigen
Verbindung von dynamisch beanspruchten Fahrzeugkomponenten durch
ein thermisches Schweißverfahren,
insbesondere durch Laserschweißen,
bereitgestellt, welche ausgelegt ist, um das vorgenannte Verfahren
auszuführen.
-
Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben werden, woraus weitere Vorteile, Merkmale und zu lösende Aufgaben
ersichtlich werden und worin:
-
1a bis 1e beispielhafte
Profile der Schweißnahtdicke
in Schweißrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen;
-
2a und 2b in
einer perspektivischen Ansicht und in einem Querschnitt eine Sitzschiene mit
zwei Befestigungs- bzw. Montagegruppen darstellt, auf welche die
vorliegende Erfindung Anwendung findet; und
-
3 ein
schematisches Blockdiagramm einer Laserschweißvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt.
-
In
den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder
im Wesentlichen gleichwirkende Elemente oder Elementgruppen.
-
Anhand
der 3 wird nachfolgend eine Laserschweißvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung als bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer thermischen Schweißvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben werden. Gemäß der 3 umfasst
die Laserstrahlvorrichtung einen Laser 12, beispielsweise
einen Nd:YAG-Laser oder einen CO2-Laser,
welcher einen Laserstrahl zu den miteinander zu verbindenden Werkstücken hin
abstrahlt. Zur Strahlführung
werden geeignete Abbildungsoptiken verwendet, beispielsweise Spiegel-
oder Linsensysteme, oder ein optischer Lichtleiter, dessen vorderes
Ende nahe zu den zu verbindenden Werkstücken positioniert ist. Dem
Laser ist eine Fokussiereinrichtung zugeordnet, um den Laserstrahl
geeignet zu fokussieren, beispielsweise ein Linsenbearbeitungskopf
oder ein Spiegelbearbeitungskopf. Im Fokus hat der Strahlfleck je
nach Lasertyp und Brennweite der Fokussiereinrichtung einen Durchmesser
von typischerweise etwa 0,1 bis 0,6 mm. Die miteinander zu verbindenden
Werkstücke
werden während
des Schweißvorgangs
gesichert und in Anlage zueinander gehalten, beispielsweise in einer
Spannvorrichtung.
-
Die
Vorrichtung umfasst ferner eine Einheit 2 zur Bestimmung
der Position der miteinander zu verbindenden Werkstücke und/oder
des Laserbearbeitungskopfes. Zu diesem Zweck können geeignete Positionsmarkierungen
optisch oder mechanisch abgetastet werden. Oder eine von dem Laserbearbeitungskopf
und/oder den zu verbindenden Werkstücken bei einem Verfahren zurückgelegte
Wegstrecke wird bestimmt, beispielsweise durch Bestimmen eines Abstands
relativ zu einem Bezugspunkt oder der Anzahl von Verfahrschritten
eines zum Verfahren verwendeten Schrittmotors oder Roboters.
-
Die
Vorrichtung umfasst ferner eine Einheit 1 zum Relativverfahren
von Laserbearbeitungskopf und zu bearbeitenden Werkstücken. Durch
Relativverfahren von Laserbearbeitungskopf und zu verbindenden Werkstücken kann
die auszubildende Schweißnaht
vorangetrieben werden. Zweckmäßig erfolgt
die Bewegung in nur einer Richtung, nachfolgend Schweißrichtung
genannt. Während
eines Laserschweißvorgangs
können
der Laserbearbeitungskopf und die miteinander zu verbindenden Werkstücke mit
konstanter Geschwindigkeit relativ zueinander bewegt werden oder
kann die relative Verfahrgeschwindigkeit geeignet verändert werden.
-
Wie
in der 3 gezeigt, sind die Einheit 1 mm Relativverfahren
von Laser 12 und zu verbindenden Werkstücken, die Einheit 2 zur
Positionsbestimmung und der Laser 12 mit einer als Steuervorrichtung
dienenden CPU 13 verbunden, welche die Bearbeitungsparameter
bei einem Laserschweißvorgang geeignet
steuert. Als Parameter werden insbesondere eine oder mehrere der
nachfolgend angeführten Größen verwendet:
die Laserintensität;
die elektrische und/oder optische Pumpleistung des Lasers 12; die
Intensität
einer Modulation des von dem Laser 12 abgestrahlten Laserstrahls;
die Fokussierung des Laserstrahls in dem Bereich der auszubildenden Schweißnaht; die
Relativgeschwindigkeit von Laserstrahl und miteinander zu verbindenden
Werkstücken beim
Verfahren während
eines Laserschweißvorgangs.
Durch Variation einer oder mehrerer der vorstehend bezeichneten
Größen lässt sich
die in die auszubildende Schweißnaht
eingebrachte Energiedichte und somit die Schweißnahtdicke geeignet vorgeben.
-
Wie
in der 3 gezeigt, umfasst die Vorrichtung ferner eine
Einheit 3 zum Ändern
der in die Schweißnaht
eingebrachten Energiedichte bzw. zum Ändern der Dicke der Schweißnaht. Der
Einheit 3 kann die zeitliche und/oder örtliche Änderung der in die Schweißnaht eingebrachte
Energiedichte bzw. der Schweißnahtdicke
als mathematische Funktion eingegeben werden. Wie in der 3 gezeigt,
ist die Einheit 3 mit der CPU 13 verbunden, welche
die in die Schweißnaht
eingebrachte Energiedichte in Abhängigkeit insbesondere der von
der Einheit 2 bestimmten Position von Laserbearbeitungskopf und/oder
zu verbindenden Werkstücken
geeignet verändert.
Wie durch die gestrichelten Linien in der 3 angedeutet,
kann die Einheit 3 auch unmittelbar mit dem Laser 12 verbunden
sein und kann auch die Einheit 1 zum Relativverfahren von
Laser und zu verbindenden Werkstücken
unmittelbar mit der Einheit 3 und/oder der Einheit 2 verbunden
sein.
-
Anhand
der 1a bis 1e werden
einige bevorzugte Profile der Schweißnahtdicke in Schweißrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben werden. Dabei bezeichnet x die Schweißrichtung,
in welcher die Schweißnaht
während
eines Schweißvorgangs
ausgebildet wird. Mit Xmax sei das Schweißnahtende bezeichnet und mit X0
der Beginn eines Randbereichs der miteinander zu verbindenden Werkstücke, in
welchem die Dicke der Schweißnaht
variiert werden soll. In Schweißrichtung
betrachtet, liegt vor der Stelle X0 ein Bereich, in welchem die
Schweißnaht
bevorzugt eine im Wesentlichen konstante Schweißnahtdicke aufweist. In den 1a bis 1e wird
mit D die Dicke der Schweißnaht
bezeichnet.
-
Gemäß der 1a nimmt
die Schweißnahtdicke
D ausgehend von einer maximalen Dicke Dstart bei dem Bereich X0
stetig zunehmend ab, bis zu dem Schweißnahtende Xmax, wo eine minimale Schweißnahtdicke
Dmin erreicht ist. In dem Bereich B nimmt die Schweißnahtdicke
D kontinuierlich und in Schweißrichtung
betrachtet zunehmend ab.
-
Der
Bereich X0 kann innerhalb der Rand- bzw. Begrenzungslinien eines
zu verbindenden Werkstücks
liegen und der Bereich Xmax kann mit dem tatsächlichen Randbereich des zu
verbindenden Werkstücks
bündig
abschließen.
Alternativ kann der tatsächliche
Randbereich des zu verbindenden Werkstücks sich zwischen X0 und Xmax
befinden. Alternativ kann der Bereich X0 bündig mit dem tatsächlichen
Rand eines zu verbindenden Werkstücks abschließen oder
gar von diesem vorstehen.
-
Gemäß der 1b nimmt
die Schweißnahtdicke
in dem Bereich B linear und mit konstanter Steigung ab.
-
Gemäß der 1c ist
die Schweißnahtdicke zwischen
den Bereichen X0 und X1 konstant, wobei die Dicke Dstart nicht unbedingt
mit der Dicke der Schweißnaht
vor, in Schweißrichtung
betrachtet, dem Bereich X0 identisch zu sein braucht. Im Anschluss
an den Bereich X1 nimmt die Schweißnahtdicke dann zu dem Schweißnahtende
Xmax hin mit konstanter Steigung in dem Bereich B ab. Selbstverständlich kann
die Schweißnahtdicke
in dem Bereich B auch, wie in der 1a gezeigt,
abnehmen.
-
Gemäß der 1d steigt
die Schweißnahtdicke
D in dem Bereich zwischen X0 und X1 zunächst mit konstanter Steigung
an, ist die Schweißnahtdicke
in dem nachgeordneten Bereich zwischen X1 und X2 im Wesentlichen
konstant und nimmt die Schweißnahtdicke
in dem Bereich B, das heißt
zwischen X2 und dem Schweißnahtende
Xmax, mit konstanter Steigung ab, um ein insgesamt im Wesentlichen
symmetrisches Schweißnahtprofil
auszubilden.
-
Gemäß der 1e variiert
die Schweißnahtdicke
D in dem Bereich zwischen X0 und dem Schweißnahtende Xmax sinusförmig zwischen
einer maximalen Schweißnahtdicke
Dmax, die bei den Bereichen X1 und X3 erreicht wird, und einer minimalen Schweißnahtdicke
Dmin2, die bei dem Bereich X2 erreicht wird. Bei dem Schweißnahtende
Xmax beträgt die
Schweißnahtdicke
Dmin1. Zwischen den Bereichen X3 und Xmax ist ein Bereich B mit
abnehmender Schweißnahtdicke
ausgebildet.
-
Die
in den 1a bis 1e gezeigten
Verläufe
der Schweißnahtdicke
D und auch andere Verläufe
können
der in der 3 gezeigten Einheit 3 zum Ändern der
in die Schweißnaht
eingebrachten Energiedichte als mathematische Funktion eingegeben
werden. Durch Variation der Schweißnahtdicke D in dem Randbereich
zwischen X0 und Xmax, wie in den 1a bis 1e beispielhaft
dargestellt, können
negative Gefügeänderungen
im Material gemindert werden, werden in dem Bereich der Schweißnaht weniger
starke thermische Verspannungen ausgebildet und werden Kerbspannungen
verringert, was zu einer noch höheren
dynamischen Dauerbelastbarkeit und einer geringeren Bruchanfälligkeit
der Schweißnaht
führt.
-
Grundsätzlich lassen
sich die vorstehend beschriebenen Schweißnahtprofile bei beliebigen
thermischen Schweißverfahren
realisieren. Verbunden werden können
grundsätzlich
beliebige, durch Energieeinwirkung schmelzbare Materialien, insbesondere
Metalle oder Kunststoffe.
-
Anhand
der 2a und 2b soll
nachfolgend ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel gemäß der vorliegenden
Erfindung erläutert
werden. Die 2a und 2b zeigen
in einer perspektivischen Ansicht und in einem Querschnitt eine
Sitzschiene 4, auf deren Oberseite 8 zwei Befestigungs-
bzw. Montagegruppen 5, 6 befestigt sind. Die Montagegruppen 5, 6 weisen
Befestigungsbereiche 7 auf, wo ein nicht dargestellter
Kraftfahrzeugsitz befestigt wird. Die Montagegruppe 5 weist
in Draufsicht ein im Wesentlichen I- bzw. rechteckförmiges Profil
auf und liegt mit einer relativ schmalen Stirnseite auf der Oberseite 8 der
Sitzschiene 4 auf. Die Montagegruppe 6 weist ein im
wesentlichen L-förmiges
Profil auf, wobei, wie in der 2b gezeigt,
ein Schenkel der L-förmigen Montagegruppe 6 im
Wesentlichen vollflächig
auf der Oberseite 8 der Sitzschiene 4 aufliegt.
Mit dem Pfeil X sei die bestimmungsgemäße Fahrtrichtung bezeichnet.
Das Bezugszeichen 9 bezeichnet den in Fahrtrichtung x betrachtet
hinteren Randbereich der Schweißnaht
und das Bezugszeichen 10 bezeichnet den in Fahrtrichtung
x vorderen Randbereich der Schweißnaht.
-
Gemäß den 2a und 2b ist
die Fahrtrichtung x identisch zu der Schweißrichtung, entlang der die
Schweißnaht 11 während eines
Schweißvorgangs
mit dem erfindungsgemäßen Schweißnahtprofil,
wie beispielhaft in den 1a bis 1e dargestellt,
ausgebildet wird. Im Falle einer Auslegung der Schweißnaht für einen
zu erwartenden Frontcrash kann die Schweißnahtdicke nur in dem Randbereich 10,
in Fahrtrichtung betrachtet, zu dem Schweißnahtende hin abnehmen. Grundsätzlich können aber
auch in beiden Randbereichen 9 und 10 entsprechende
Schweißnahtprofile
ausgebildet sein. Im Falle einer Auslegung der Schweißnaht für einen zu
erwartenden Heckcrash kann die Schweißnahtdicke nur in dem Randbereich 9,
entgegen der Fahrtrichtung x, zu dem Schweißnahtende hin abnehmen. Grundsätzlich können aber
auch in den beiden Randbereichen 9 und 10 entsprechende
Schweißnahtprofile
ausgebildet sein.
-
Nachfolgend
werden einige bevorzugte Schweißparameter
bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 2a und 2b aufgezählt. Bei
einer Länge
der Montagegruppe 5, in Fahrtrichtung x betrachtet, von
97 mm wurde die Laserleistung im Bereich der letzten 20 mm bei dem
Randbereich 9 von 100% auf 10% der vor diesem Bereich verwendeten Laserleistung
verringert. Es wurde ohne Verwendung von Zusatzwerkstoffen lasergeschweißt. Die
Einschweißtiefe
beträgt
etwa 2,4 ± 0,6
mm, der Einbrand beträgt
mindestens 0,3 mm je Bauteil. Zusätzlich kann auch bei dem Randbereich 10 die
Laserleistung variiert werden. Insgesamt wurde über die gesamte Länge der
Baugruppe 5 zwischen den Randbereichen 9 und 10 geschweißt. Es ergab
sich eine Mindestabzugskraft von 22 kN. Geschweißt wurde ausschließlich in
der bestimmungsgemäßen Fahrtrichtung
x, für
den Fall, dass die Auslegung für
einen zu erwartenden Frontcrash erfolgen soll, und entgegen der
bestimmungsgemäßen Fahrtrichtung
x für den Fall,
dass die Auslegung für
einen zu erwartenden Heckcrash erfolgen soll.
-
- 1
- Einheit
zum Relativbewegen von Laserstrahl und Werkstück
- 2
- Einheit
zur Positionsbestimmung
- 3
- Einheit
zum Ändern
der in die Schweißnaht
eingebrachten Energiedichte
- 4
- Sitzschiene
- 5
- Montagegruppe
1
- 6
- Montagegruppe
2
- 7
- Befestigungsbereiche
- 8
- Oberseite
der Sitzschiene 4
- 9
- hinterer
Randbereich
- 10
- vorderer
Randbereich
- 11
- Schweißnaht
- 12
- Laser/Schweißkopf
- 13
- CPU
- x
- Fahrtrichtung
- D
- Dicke
der Schweißnaht 11
- Dmax
- maximale
Dicke der Schweißnaht 11
- Dmin
- minimale
Dicke der Schweißnaht 11
- Dmin1
- minimale
Dicke der Schweißnaht 11
- Dmin2
- minimale
Dicke der Schweißnaht 11
- Dstart
- Dicke
der Schweißnaht 11 zu
Beginn von Änderung